Bandgap voltage reference with low susceptibility to electromagnetic interference (EMI)

In this paper, the susceptibility of a current-mode bandgap voltage reference to electromagnetic interference (EMI) superimposed to the power supply is investigated by simulation. Designed for AMS 0.35 CMOS process, the circuit provides a stable voltage reference in the temperature range of -40-150°C. When EMI disturbances are present, the circuit exhibits only 6.7 mV of offset for interfering signals in the frequency range of 150 kHz-1 GHz. © 2011 ACM.

Reference generator for voltage controlled power conditioners

Voltage reference generation is an important issue on electronic power conditioners or voltage compensators connected to the electric grid. Several equipments, such as Dynamic Voltage Restorers (DVR), Uninterruptable Power Supplies (UPS) and Unified Power Quality Conditioners (UPQC) need a proper voltage reference to be able to compensate electric network disturbances. This work presents a new reference generator's algorithm, based on vector algebra and digital filtering techniques. It is particularly suited for the development of voltage compensators with energy storage, which would be able to mitigate steady state disturbances, such as waveform distortions and unbalances, and also transient disturbances, like voltage sags and swells. Simulation and experimental results are presented for the validation of the proposed algorithm. © 2011 IEEE.

Sistema de aterramento com cabo contrapeso representado por linhas de transmissão implementado em Matlab com circuitos em cascatas de PÍ

Pós-graduação em Engenharia Elétrica - FEIS

Análise da área de vulnerabilidade e estabilidade de tensão em sistemas elétricos com a inserção de parques eólicos

A presente dissertação de mestrado avalia os afundamentos e a estabilidade de tensão de um sistema elétrico real com inserção de parques eólicos. Os estudos de afundamentos de tensão servem de base para a determinação das áreas de vulnerabilidade do sistema elétrico, nas quais, por sua vez, são investigados os aspectos referentes à instabilidade de tensão ocasionada pela integração de parques eólicos com geradores assíncronos. Para este fim, é utilizado o programa computacional ANAQUALI, desenvolvido pelo CEPEL (Centro de Pesquisas de Energia Elétrica). No estudo do comportamento dinâmico da tensão decorrente de curto-circuito, no qual o sistema eólico é inserido nas concepções de velocidade fixa e velocidade variável, utiliza-se um programa computacional desenvolvido no aplicativo MATLABTM. Os resultados dessas simulações evidenciam que o sistema eólico de velocidade variável proporciona uma maior margem de estabilidade de tensão ao sistema elétrico, devido à presença do controle de velocidade e de tensão. Estes estudos não são comumente aplicados aos sistemas de geração distribuída, e por isso, esta dissertação contribui também neste aspecto, podendo seus resultados servir de base para o planejamento de centrais cólicas inseridas em sistemas elétricos convencionais.

Análise eletromagnética de cabos OPGW utilizando métodos numérico e analítico

Este trabalho apresenta o estudo eletromagnético de cabos OPGW (Optical Ground Wire) os quais têm dupla função: de pára-raios para linhas de transmissão de alta tensão e de canal de comunicação através de fibras ópticas embutidas na estrutura do cabo. Descargas atmosféricas ou curtos-circuitos podem comprometer a integridade do cabo, devido ao aquecimento nas regiões onde há maior concentração de corrente. Para a análise deste problema foram feitos cálculos eletromagnéticos relacionando-os aos efeitos térmicos no cabo. Nesta análise foram consideradas três diferentes geometrias: o modelo de cabo real, o modelo de cabo com camadas homogêneas e o modelo de cabo com uma camada modificada; esta modificação está relacionada à forma geométrica dos fios da armação do cabo. As ferramentas utilizadas em tal estudo foram o software comercial FEMLAB Multiphysics, baseado no método dos elementos finitos, e um método analítico desenvolvido a partir das equações de Maxwell no domínio da freqüência, que foi implementado utilizando o software MATLAB. Os principais resultados deste trabalho são gráficos de distribuição de densidade de corrente na seção reta do cabo para diferentes freqüências, estudo do efeito pelicular e do efeito de proximidade entre os condutores do cabo.

Avaliação de estratégias de controle de potência reativa de aerogeradores síncronos em redes elétricas

No presente trabalho é avaliada uma metodologia de injeção de potência reativa em redes elétricas durante afundamentos de tensão provocados por curto-circuito, em parques eólicos interligados, adotada em alguns países com maturidade tecnológica na produção de energia eólica. Nos estudos desenvolvidos, foi utilizado o aerogerador síncrono a imã permanente com conversor pleno em função da grande controlabilidade do conversor interligado à rede e por possuir elevada capacidade de fornecimento de potência reativa, comparada a outras tecnologias de aerogeradores. No Brasil, os requisitos de interligação de parques eólicos as redes elétricas, definido pelo Operador Nacional do Sistema, ainda não estipula a necessidade de adoção de tal metodologia durante defeitos na rede elétrica, apenas especifica a curva de capacidade de afundamentos de tensão que os aerogeradores devem seguir para evitar o desligamento frente a afundamentos de tensão. Os critérios de proteção do aerogerador síncrono são avaliados a partir de simulações de curto-circuito em uma rede de teste adotando-se os requisitos do Brasil, sem injeção de potência reativa, sendo comparados com o de outros países que adotam curvas de injeção de potência reativa.

Impactos na qualidade da energia elétrica provenientes do rápido crescimento da demanda no Sudeste do Estado do Pará

Nos últimos anos, o desenvolvimento sócio econômico da Região Sudeste do Estado do Pará, tem sido causado principalmente pela exploração e processamento industrial de minérios, que agregado ao crescimento populacional, tem gerado grande evolução na demanda do consumo de energia elétrica, devido à instalação cada vez mais crescente de novas cargas industriais, comerciais, residenciais e rurais monofásicas. Todo esse aumento de carga já está impactando diretamente o desempenho das subestações distribuidoras da Concessionária de Energia Elétrica, no que tange a manifestação de distúrbios de regime permanente causados por harmônicas, tais como zumbidos em transformador de força e rompimento de condutores de média tensão. Estes distúrbios são apresentado em um estudo de caso envolvendo as Subestações (SE´s) Itacaiúnas e Itupiranga. Para comprovar a nocividade desses distúrbios nessas SE´s, foram realizadas campanhas de medição para obtenção de resultados práticos e, então, executadas simulações envolvendo estudos de curtocircuito, fluxo de carga e propagação de harmônicos, de forma a se obter um diagnóstico analítico sobre as situações encontradas e assim, ser possível emitir recomendações para a mitigação dos problemas detectados. Este trabalho será de grande valia à Concessionária de Energia Elétrica, podendo ser tomado como uma das referências para estudos de qualidade de energia elétrica, em outras subestações, além de dar embasamento experimental às futuras cobranças da ANEEL, com relação à implantação dos Procedimentos de Distribuição de Energia Elétrica no Sistema Elétrico Nacional (PRODIST).

Desenvolvimento e implementação de estratégias de controle digital para regulação de tensão e amortecimento de oscilações eletromecânicas em um gerador síncrono de 10kVA

Neste trabalho são apresentados o desenvolvimento e a implementação de estratégias de controle digital para regulação automática de tensão e para o amortecimento de oscilações eletromecânicas em um sistema de potência em escala reduzida de 10kVA, localizado no Laboratório de Controle de Sistemas de Potência (LACSPOT), da Universidade Federal do Pará (UFPA). O projeto dos dois controladores é baseado na técnica de alocação polinomial de polos. Para o projeto do Regulador Automático de Tensão (RAT) foi adotado um modelo simplificado, de primeira ordem, da máquina síncrona, cujos parâmetros foram levantados experimentalmente. Para o controlador amortecedor, por sua vez, também chamado de Estabilizador de Sistemas de Potência (ESP), foi utilizado um modelo discreto, do tipo auto regressivo com entrada exógena (ARX). Este modelo foi estimado por meio de técnicas de identificação paramétrica, considerando para tal, o conjunto motor-gerador interligado a um sistema de maior porte (concessionária de energia elétrica). As leis de controle foram embarcadas em um microcontrolador de alto desempenho e, para a medição dos sinais utilizados nos controladores, foi desenvolvida uma instrumentação eletrônica baseada em amplificadores operacionais para o condicionamento dos sinais dos sensores. O sinal de controle é baseado na técnica de modulação por largura de pulso (PWM) e comanda o valor médio da tensão de um conversor CC-CC, o qual é utilizado como circuito de excitação que energiza o enrolamento de campo do gerador. Além disso, o acionamento elétrico das máquinas que compõem o grupo gerador de 10kVA foi projetado e automatizado somando segurança aos operadores e ao componentes deste sistema de geração. Os resultados experimentais demonstraram o bom desempenho obtido pela estratégia proposta.

Teaching general concepts about sensors and transfer functions with a voltage divider

This work proposes the use of a simple voltage divider circuit composed by one potentiometer and one resistor to simulate the behavior of the electrical output signal of linear and nonlinear sensors. It is a low cost way to implement practical experiments in classroom and it also enables the analysis of interesting topics of electricity. This work induces naturally to a class guide where students can build and characterize a voltage divider to explore several concepts about sensors output signal. As the result of this teaching activity it is expected that students understand fundamentals of voltage divider, potentiometer operation, fundamental sensor characteristics, transfer function, and, besides, associate directly concepts of physics and mathematics with a practical approach.

Chaos control and sensitivity analysis of a double pendulum arm excited by an RLC circuit based nonlinear shaker

In this paper the dynamical interactions of a double pendulum arm and an electromechanical shaker is investigated. The double pendulum is a three degree of freedom system coupled to an RLC circuit based nonlinear shaker through a magnetic field, and the capacitor voltage is a nonlinear function of the instantaneous electric charge. Numerical simulations show the existence of chaotic behavior for some regions in the parameter space and this behaviour is characterized by power spectral density and Lyapunov exponents. The bifurcation diagram is constructed to explore the qualitative behaviour of the system. This kind of electromechanical system is frequently found in robotic systems, and in order to suppress the chaotic motion, the State-Dependent Riccati Equation (SDRE) control and the Nonlinear Saturation control (NSC) techniques are analyzed. The robustness of these two controllers is tested by a sensitivity analysis to parametric uncertainties.

A Low Power CMOS Voltage Regulator for a Wireless Blood Pressure Biosensor

This paper describes a CMOS implementation of a linear voltage regulator (LVR) used to power up implanted physiological signal systems, as it is the case of a wireless blood pressure biosensor. The topology is based on a classical structure of a linear low-dropout regulator. The circuit is powered up from an RF link, thus characterizing a passive radio frequency identification (RFID) tag. The LVR was designed to meet important features such as low power consumption and small silicon area, without the need for any external discrete components. The low power operation represents an essential condition to avoid a high-energy RF link, thus minimizing the transmitted power and therefore minimizing the thermal effects on the patient's tissues. The project was implemented in a 0.35-mu m CMOS process, and the prototypes were tested to validate the overall performance. The LVR output is regulated at 1 V and supplies a maximum load current of 0.5 mA at 37 degrees C. The load regulation is 13 mV/mA, and the line regulation is 39 mV/V. The LVR total power consumption is 1.2 mW.

Analytical tools to assess the voltage stability of induction-based distributed generators

The installation of induction distributed generators should be preceded by a careful study in order to determine if the point of common coupling is suitable for transmission of the generated power, keeping acceptable power quality and system stability. In this sense, this paper presents a simple analytical formulation that allows a fast and comprehensive evaluation of the maximum power delivered by the induction generator, without losing voltage stability. Moreover, this formulation can be used to identify voltage stability issues that limit the generator output power. All the formulation is developed by using the equivalent circuit of squirrel-cage induction machine. Simulation results are used to validate the method, which enables the approach to be used as a guide to reduce the simulation efforts necessary to assess the maximum output power and voltage stability of induction generators. (C) 2011 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Modeling and Identification of an Open-frame Underwater Vehicle: The Yaw Motion Dynamics

A semi-autonomous unmanned underwater vehicle (UUV), named LAURS, is being developed at the Laboratory of Sensors and Actuators at the University of Sao Paulo. The vehicle has been designed to provide inspection and intervention capabilities in specific missions of deep water oil fields. In this work, a method of modeling and identification of yaw motion dynamic system model of an open-frame underwater vehicle is presented. Using an on-board low cost magnetic compass sensor the method is based on the utilization of an uncoupled 1-DOF (degree of freedom) dynamic system equation and the application of the integral method which is the classical least squares algorithm applied to the integral form of the dynamic system equations. Experimental trials with the actual vehicle have been performed in a test tank and diving pool. During these experiments, thrusters responsible for yaw motion are driven by sinusoidal voltage signal profiles. An assessment of the feasibility of the method reveals that estimated dynamic system models are more reliable when considering slow and small sinusoidal voltage signal profiles, i.e. with larger periods and with relatively small amplitude and offset.

Analog circuit synthesis performing fast Pareto frontier exploration and analysis through 3D graphs

This paper presents a technique for performing analog design synthesis at circuit level providing feedback to the designer through the exploration of the Pareto frontier. A modified simulated annealing which is able to perform crossover with past anchor points when a local minimum is found which is used as the optimization algorithm on the initial synthesis procedure. After all specifications are met, the algorithm searches for the extreme points of the Pareto frontier in order to obtain a non-exhaustive exploration of the Pareto front. Finally, multi-objective particle swarm optimization is used to spread the results and to find a more accurate frontier. Piecewise linear functions are used as single-objective cost functions to produce a smooth and equal convergence of all measurements to the desired specifications during the composition of the aggregate objective function. To verify the presented technique two circuits were designed, which are: a Miller amplifier with 96 dB Voltage gain, 15.48 MHz unity gain frequency, slew rate of 19.2 V/mu s with a current supply of 385.15 mu A, and a complementary folded cascode with 104.25 dB Voltage gain, 18.15 MHz of unity gain frequency and a slew rate of 13.370 MV/mu s. These circuits were synthesized using a 0.35 mu m technology. The results show that the method provides a fast approach for good solutions using the modified SA and further good Pareto front exploration through its connection to the particle swarm optimization algorithm.

Untersuchungen zur Zell-Transistor-Kopplung mittels der Voltage-Clamp-Technik

Untersuchungen zur Zell-Transistor Kopplung mittels der Voltage-Clamp TechnikIn der vorliegenden Arbeit wird die extrazelluläre Einkopplung elektrischer Signale von Zellen in Transistoren hinsichtlich der an der Kopplung beteiligten Parameter untersucht. Dafür werden Zellen aus Primärkulturen und von Zell-Linien direkt auf den aktiven Sensorflächen der hergestellten Chips kultiviert. Für die Experimente werden n- und p-Kanal Feldeffekttransistoren (FET) sowie Extended-Gate-Elektroden (EGE) mit Gold- und Titanoberflächen entwickelt.Zur Untersuchung der Kopplungseigenschaften werden die neuronale Zell-Linie SH-SY5Y, die humane Endothel Zell-Linie EA.hy-926 sowie als Primärzellen hippocampale Neuronen und Kardiomyozyten embryonaler und neonataler Ratten eingesetzt. Die Voltage-Clamp Technik erlaubt die Untersuchung spannungsgesteuerter Ionenkanäle in der Zellmembran. Maßgebend für den Signalverlauf des extrazellulär eingekoppelten Signals ist der Ionenstrom von Na+, K+ und Ca2+ durch die Membran im Kontaktbereich zwischen Zelle und Sensor.Die Kopplung kann elektrisch mithilfe eines Ersatzschaltkreises beschrieben werden, der alle beteiligten elektrischen Größen der Membran und der Ionenströme, sowie die Parameter des Kontaktbereichs und des Sensors enthält.Die Simulation der extrazellulären Signale zeigt, dass die beobachteten Signalformen nur durch eine Erhöhung der Ionenkanaldichten und dadurch einer deutlich vergrößerten Leitfähigkeit der Ionenarten im Kontaktbereich gegenüber der freien Membran erklärt werden können.